电感变压器设计.ppt

磁元件设计共性问题,1,电感及变压器设计,磁元件设计共性问题,开关电源技术,2,气隙的作用,磁元件设计共性问题,3,Comparative core usage of asymmetrical and symmetrical converters.,磁芯带有气隙后，等效的磁导率降低了。线性度比原磁化曲线好得多。磁芯的剩磁(Br)大大下降了。,磁元件设计共性问题,4,气隙磁路计算,大气隙磁芯会导致边缘效应增大，匝间漏电感和杂散电容增大,磁元件设计共性问题,开关电源技术,5,电感和变压器设计的共性问题,磁元件设计共性问题,6,电感和变压器设计,磁元件设计共性问题,7,电感和变压器设计,是否算出电感的L和变压器的NP / NS就可以了？,我们知道 电感要求的是: 电感量 L 变压器要求的是: 原副边匝数比NP / NS,L,NP,NS,回答三个问题： 1. 对于一个50Hz的工频变压器：220V / 110V, NP / NS 等于2是一定的. 那么NP取多少合适? 2匝? 100匝? 4000匝? 或是其它匝数? 为什么? 2. 有两个50Hz的220V / 110V 变压器, 一个容量50W, 一个是100kW.在工业应用中, 它们两个的大小相同吗? 为什么? 3. 同样50W的两个变压器, 一个是50Hz工作, 一个是50kHz工作. 两个的大小一样吗? 在工业应用中, 可以采用相同材料的铁芯吗?,磁元件设计共性问题,8,电感和变压器设计,设计电感和变压器要考虑的问题?,3. 铁芯材料问题(铁耗(体电阻和磁滞回线),涡流损耗(eddy loss)和磁滞损耗(hysteresis loss),4. 居里温度(curie temperature),1. 铜耗问题(直流电阻和交流电阻),磁元件设计共性问题,开关电源技术,9,电导体设计,磁元件设计共性问题,10,电感和变压器设计,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻）,无论变压器还是电感, 导体材料一般采用电工铜, 偶尔也采用铝等材料. 形式为导线或铜箔。,1. 直流电阻(金属, 不接近熔点和0K时),其中,20oC时的工业纯铜,T温度，oC,电阻率 (mm2/m,温度系数(1/oC),20oC时的工业纯铝,(mm2/m,磁元件设计共性问题,11,电感和变压器设计,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),2. 交流电阻的成因(集肤效应),磁元件设计共性问题,12,集肤效应（也称趋肤效应(skin effect)）,当导线中通过交流电流时，因导线内部和边缘部分所交链的磁通量不同，致使导线表面上的电流产生不均匀分布，相当于导线有效截面减少，这种现象称为集肤效应。,磁元件设计共性问题,13,电感和变压器设计,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),kAC趋表系数:与频率、材料的性质、导线形状有关,磁元件设计共性问题,14,电感和变压器设计,4. 交流电阻分析(集肤效应),穿透深度(penetration depth)：由于集肤效应，交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度。可以表征导线有效截面的减少。,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),电流在导体的表面密集分布，中心部位电流密度很小，使导体有效导电面积减小，因而交流电阻要大于直流电阻,磁元件设计共性问题,15,电感和变压器设计,5. 交流电阻分析(集肤效应的穿透深度pd),一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),磁元件设计共性问题,16,电感和变压器设计,6. 交流电阻分析(铜导体的穿透深度d与电流频率 f 的关系),为了减小交流电阻, 综合考虑集肤效应的电流密度递减性,以及温度带来的影响, 我们一般取铜导体的厚度或(直径)为d (mm，毫米),一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),磁元件设计共性问题,17,电感和变压器设计,8. 电导体的设计导体截面的选择,导体截面的选择， 两个因素： A. 导体的厚度或(直径)为d (mm，毫米)小于23倍穿透深度 B. 导体允许的电流密度 j (A/ mm2, 安培 / 平方毫米),一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),线圈振动,多层并绕,邻近效应随绕组层数增加呈指数规律增加,合理布线,磁元件设计共性问题,18,英规导线(AWG),磁元件设计共性问题,开关电源技术,19,磁性体的选择,磁元件设计共性问题,20,电感和变压器设计,二. 铁芯材料的选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗),铁芯的选择要考虑三个因素: (1) 工作频率, (2) 磁化方式(单边磁化还是双边磁化), (3) 价格,磁元件设计共性问题,21,电感和变压器设计,二. 铁芯材料的选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗),磁元件设计共性问题,22,电感和变压器设计,二. 铁芯材料选择( 铁耗(涡流损耗和磁滞损耗),2. 开关电源的磁性材料,变压器和谐振电感: 锰锌铁氧体、非晶磁芯 电感扼流圈：铁粉芯、锰锌铁氧体、镍芯铁氧体、非晶磁芯 共模抑制器或尖峰抑制器：高导磁率的锰锌铁氧体、非晶磁芯等,磁元件设计共性问题,23,电感和变压器设计,三. 变压器的损耗(铜耗、磁滞损耗和涡流损耗),磁元件设计共性问题,开关电源技术,24,变压器设计,面积相乘法（AP法） 几何参数法（KG法）,磁元件设计共性问题,25,一、面积相乘法（AP法）,磁元件设计共性问题,26,变压器设计,一、面积相乘法设计,Ae:有效铁芯面积 Aw：窗口面积,磁元件设计共性问题,27,相关概念,1.功率容量：半个窗口的容量 2.有效磁芯面积：截面积 3.窗口面积： 4.窗口利用系数：铜导线所占面积 5.散热面积：磁芯散热面积+线圈散热面积,磁元件设计共性问题,28,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,29,变压器设计,B的计算,一、面积相乘法设计,单向励磁电流,双向励磁电流,磁元件设计共性问题,30,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,31,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,32,变压器设计,一、面积相乘法设计,2. 磁芯窗口面积AW的使用(续),磁元件设计共性问题,33,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,34,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,35,变压器设计,一、面积相乘法设计,4. 电流有效值IP和IS的计算,磁元件设计共性问题,36,变压器设计,一、面积相乘法设计,4. 电流有效值IP和IS的计算(续),磁元件设计共性问题,37,变压器设计,一、面积相乘法设计,(7),磁元件设计共性问题,38,变压器设计,一、面积相乘法设计,6. 电流密度 j 的的取值,磁元件设计共性问题,39,例题,推挽方式工作 输入电压：28V 输出中间抽头，全波整流 输出电压：18V 输出电流：5A 工作频率：40kHz 效率：0.98 工作磁密：0.3T,磁元件设计共性问题,40,二、几何参数法（KG法）,磁元件设计共性问题,41,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,磁元件设计共性问题,42,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,线路分布电阻的集中表示,磁元件设计共性问题,43,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,副边压降,原边压降折算,磁元件设计共性问题,44,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,磁元件设计共性问题,45,Fringing flux（边缘磁通）,Current density distribution,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,46,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,47,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,48,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,49,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,50,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,开关电源技术,51,电抗器设计,开关电源中的电抗器用作滤波，因此需要考虑直流磁化问题,磁元件设计共性问题,52,电感器设计,两段组成，便于通过调整气隙来调节总的磁导率,磁元件设计共性问题,53,电感器设计,Conventional VRM,磁环,磁元件设计共性问题,54,电感器设计,一、电感器的物理关系,1. 复习几个基本概念,磁场强度 H 磁导率 真空磁导率 0 （非导磁材料均适用） 相对磁导率 r 绝对磁导率 a = r 0 磁通密度 B = a H 磁路 lm 磁路截面积 Ae 线圈匝数 N 磁通量 = B Ae 磁链 = N =LI 磁动势 Fm = H lm= N I,磁元件设计共性问题,55,电感器设计,一、电感器的物理关系,磁元件设计共性问题,56,电感器设计,一、电感器的物理关系,磁元件设计共性问题,57,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,面密度,磁元件设计共性问题,58,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,有效值,磁元件设计共性问题,59,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,已知电源指标，从输出电压和纹波（如5V，2）可以计算出滤波电感的最小值，实际取最小值的1.1到1.3倍。,磁元件设计共性问题,60,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,可以用直流量代替,磁元件设计共性问题,61,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,62,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,63,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,变压器加的是电压 电感器流的是电流,磁元件设计共性问题,64,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,65,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,气隙长度,铁芯长度,磁元件设计共性问题,66,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,选定气隙长度是为了保证一定电流下B不饱和,磁元件设计共性问题,67,Special page for AC inductor design. It is extraneous from context.,电感器设计,磁元件设计共性问题,68,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,69,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,70,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,71,电感器设计,三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,72,电感器设计,2. 几何参数法公式推导,三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,73,电感器设计,2. 几何参数法公式推导(续),三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,74,电感器设计,2. 几何参数法公式推导(续),三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,75,电感器设计,三、几何参数法设计电感,磁元件设计共性问题,76,电感器设计,6. 线圈截面积的确定,三、几何参数法设计电感,磁元件设计共性问题,77,电感器设计,四、不同电压的感生电势公式推导,1. 方波电压波形,磁元件设计共性问题,78,电感器设计,四、不同电压的感生电势公式推导,2. 正弦电压波形,磁元件设计共性问题,79,电感器设计,五、电感器件的降额准则,电感器件包括各类变压器、扼流图和线圈. 各类电感器当热点温度(THs=Ta+T)从25上升到50时，其基本失效率增加不多，般不大于两倍。但增高到